长岭水库拱坝加固前后三维有限元分析
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摘要
砌石拱坝是水利工程中比较优良的坝型之一,有节省材料、能充分利用材料强度、可就地取材等优点,因此,在中小型水利工程中得到广泛的应用。除了继续兴建水库大坝外,随着早期兴建拱坝服役年限的增加,加固维修一些老坝也成为水利工作者们又一个新的课题,而且加固一座老坝有时比新建一座大坝更为复杂。
本文介绍了拱坝常见的病害形式,详细阐述了拱坝常用的结构分析方法：纯拱法、拱冠梁法、有限单元法。并借助大型通用有限元软件ANSYS,对长岭水库砌石拱坝加固前后的应力、位移以及结构的动力特性(频率和振型)进行计算,通过对计算结果的对比分析加固方案的效果。对该拱坝的结构加固以及以后的拱坝结构计算研究提供参考。
本文的主要研究内容,概括起来有以下几个方面：
1.介绍了拱坝计算的传统方法和有限元计算方法的原理及其优缺点,并用有限元方法进行结构计算。
2.运用大型有限元软件(ANSYS)模拟长岭水库砌石拱坝,并分析多工况下加固前的砌石拱坝的应力和位移状况。
3.根据提出的砌石拱坝的加固方案,并运用有限单元法计算加固后的砌石拱坝的应力和位移状况,对比分析方案的加固效应。
4.对比计算加固前后的结构动力特性(模态分析),为结构的动力分析和结构加固提供参考。
The stone masonry arch dam is a relatively good model of dam in hydraulic engineering. There are many virtues, for example saving material, being able to make full use of the material strength and using local materials and so on, therefore, it is now being widely used in the small and medium sized water conservancy projects. With the service years increasing of arch dams constructed in early years, the reinforcement of some old dam has been becoming a new topic for water workers, in addition to the construction of new dam. Generally speaking, reinforcing an old dam is sometimes more complicated than building a new dam.
This article describes the common diseases of the arch dam and detailed expounds the commonly used methods of structural analysis of arch dams, such as independent arch method, arch cantilever method, finite element method. The large commercial software ANSYS is adopted to calculate the dam stress, deformation and dynamic characteristics (frequency and modal shape) of the Changling arch dam before and after structure reinforcement. Reinforcement effect is given according to the comparative analysis of calculation results. Some reference value may be provided for the structure reinforcement of the arch dam and the study of calculation of arch dams.
The main contents of this article are as following:
1. The traditional calculating method of arch dam and the principle of finite element method are given with their own advantages and disadvantages. Finite element method is used for the Changling arch dam analysis.
2. The Changling arch dam analysis is simulated with FEM program ANSYS and Stress state and deformation are discussed under every operating condition before structure reinforcement.
3. The reinforced arch dam is calculated with FEM program ANSYS according to the strengthening plan. Reinforcement effect is given based the comparative analysis of stress and deformation.
4. Some reference value may be provided for the structural dynamic analysis and reinforcement of the arch dam based the contrast of dynamic characteristics (modal analysis) before and after reinforcement.
本文介绍了拱坝常见的病害形式,详细阐述了拱坝常用的结构分析方法：纯拱法、拱冠梁法、有限单元法。并借助大型通用有限元软件ANSYS,对长岭水库砌石拱坝加固前后的应力、位移以及结构的动力特性(频率和振型)进行计算,通过对计算结果的对比分析加固方案的效果。对该拱坝的结构加固以及以后的拱坝结构计算研究提供参考。
本文的主要研究内容,概括起来有以下几个方面：
1.介绍了拱坝计算的传统方法和有限元计算方法的原理及其优缺点,并用有限元方法进行结构计算。
2.运用大型有限元软件(ANSYS)模拟长岭水库砌石拱坝,并分析多工况下加固前的砌石拱坝的应力和位移状况。
3.根据提出的砌石拱坝的加固方案,并运用有限单元法计算加固后的砌石拱坝的应力和位移状况,对比分析方案的加固效应。
4.对比计算加固前后的结构动力特性(模态分析),为结构的动力分析和结构加固提供参考。
The stone masonry arch dam is a relatively good model of dam in hydraulic engineering. There are many virtues, for example saving material, being able to make full use of the material strength and using local materials and so on, therefore, it is now being widely used in the small and medium sized water conservancy projects. With the service years increasing of arch dams constructed in early years, the reinforcement of some old dam has been becoming a new topic for water workers, in addition to the construction of new dam. Generally speaking, reinforcing an old dam is sometimes more complicated than building a new dam.
This article describes the common diseases of the arch dam and detailed expounds the commonly used methods of structural analysis of arch dams, such as independent arch method, arch cantilever method, finite element method. The large commercial software ANSYS is adopted to calculate the dam stress, deformation and dynamic characteristics (frequency and modal shape) of the Changling arch dam before and after structure reinforcement. Reinforcement effect is given according to the comparative analysis of calculation results. Some reference value may be provided for the structure reinforcement of the arch dam and the study of calculation of arch dams.
The main contents of this article are as following:
1. The traditional calculating method of arch dam and the principle of finite element method are given with their own advantages and disadvantages. Finite element method is used for the Changling arch dam analysis.
2. The Changling arch dam analysis is simulated with FEM program ANSYS and Stress state and deformation are discussed under every operating condition before structure reinforcement.
3. The reinforced arch dam is calculated with FEM program ANSYS according to the strengthening plan. Reinforcement effect is given based the comparative analysis of stress and deformation.
4. Some reference value may be provided for the structural dynamic analysis and reinforcement of the arch dam based the contrast of dynamic characteristics (modal analysis) before and after reinforcement.
引文
[1]梅孝威主编.水利工程管理[M].北京：中国水利水电出版社,2005.164～166
[2]王倪进.砌石连拱坝三维有限元静力分析及加固效应研究[D].[硕十学位论文].南京：河海大学,2006
[3]翟利军.复杂地基上拱坝的可视化建模和有限元仿真分析[D].[硕十学位论文].南京：河海大学,2003
[4]王宏俊.基于ANSYS下砌石连拱坝三维有限元静动力分析研究[D].[硕十学位论文].南京：河海大学,2006
[5]林继镛主编.水工建筑物.第四版[M].北京：中国水利水电出版社,2006.146～213
[6]钮新强等编著.水库大坝安全评价[M].北京：中国水利水电出版社,2007.72～74
[7]杨红梅.石龙水库大坝除险加固技术研究[D].[工程硕十学位论文].宜昌：三峡大学,2007
[8]赵海涛.基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析[D].[硕十学位论文].南京：河海大学,2004
[9]ANSYS,Inc. ANSYS Structural Analysis Guide.ANSYS 10.0 HTML Online Documentation,2000.
[10]ANSYS,Inc.ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide.ANSYS 10.0 HTML Online Documentation,2000.
[11]叶先磊,史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社,2003.2-5
[12]肖世德,熊鹰,王小强.工程软件基础[M].北京：机械工业出版社,2004.96～98
[13]商跃进.限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社,2005.54～57
[14]朱伯芳.拱坝的有限元等效应力及复杂应力下的强度储备[J].水利水电技术,2005,Vol.36(1)：43-47
[15]张雷顺,王俊林,祝彦如,郭庆海.弹性力学及有限单元法[M].郑州：黄河水利出版社,2005.106-140
[16]姚激,武亮,叶文明.克田混凝士拱坝三维有限元分析研究[J].中国农村水利水电,2008(1)：109～111
[17]孙林松,朱瑞晨,徐建荣,徐建军.白鹤滩拱坝三维有限元分析[J].水电能源科学,2005,Vol.23(6)：39～41
[18]朱双林,常晓林.洞坪拱坝坝体结构应力三维有限元仿真分析[J].中国农村水利水电,2005(5)：68～71
[19]董福品,朱伯芳,沈之良,葛楠.国内外高拱坝应力分析概况[J].中国水利水电科学研究院学报,2003,Vol.1(4)：292-299
[20]吴海真,顾冲时.井冈冲高砌石拱坝坝体应力计算分析[J].人民长江,2006,Vol.37(11)：19～25
[21]柏宝忠,钟源清.混凝土拱坝设计应力控制标准的研究[J].人民长江,2003,Vol.34(11)：12～16
[22]叶锋.砌石拱坝三维有限元静动力分析研究[D].[硕士学位论文].杨凌：西北农林科技大学,2008
[23]ANSYS,Inc.ANSYS Modeling and Meshing Guide.ANSYS 10.0 HTML Online Documentation,2000.
[24]武亮,叶文明,何仕华.基于ANSYS的拱坝等效应力分析[J].水利水电技术,2006,Vol.37(9)：27～29
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[28]蒋媛媛.长沙坝水库砌石拱坝的加固研究[D].[硕士学位论文].武汉：武汉大学,2005
[29]陈英儒.变形加固理论及其在高拱坝工程中的应用[D].[博士学位论文].北京：清华大学,2008
[30]吴海林,李昌刚,周宜红,张付刚.长塘电站拱坝有限元应力分析及坝肩稳定研究[J].人民长江,2009,Vol.40(1)：49～51
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[45]吴永桥,顾伯达,张光颖.薄板结构的模态分析[J].武汉理工大学学报,2001,Vol.23(4)：99～101
[46]Kiureghian A D, Neuenhofer A. Response spectru method for multi—support Seismic excitations. Earthquake Engineering and Struetural Dynamie[M]s,1992,713～740
[47]P.Aehers, W.R.White, J.A.Perkins, A.J.M Harrison.Weirs and Flumes for Flow Measurement.John Wiley and Sons ltd,1978.
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[2]王倪进.砌石连拱坝三维有限元静力分析及加固效应研究[D].[硕十学位论文].南京：河海大学,2006
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